第4章_數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

1、1第第4章章數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)4.14.1概概 述述一、伺服的基本概念一、伺服的基本概念1. 1. 伺服系統(tǒng)的含義和組成伺服系統(tǒng)的含義和組成 數(shù)控機床的數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是以機械位置和角度作為伺服系統(tǒng)是以機械位置和角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，控制對象的自動控制系統(tǒng)，也可稱為位置隨動系統(tǒng)，也可稱為位置隨動系統(tǒng)，簡稱為伺服系統(tǒng)。簡稱為伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)接受伺服系統(tǒng)接受CNCCNC插補器生成的進給脈沖或進插補器生成的進給脈沖或進給位移量指令，經變換和功率放大驅動給位移量指令，經變換和功率放大驅動機械機械運動。運動。1)含義：含義：2)作用：作用：2 進給伺服系統(tǒng)是進給伺服系統(tǒng)是

2、以機床以機床坐標移動部件移動部件( (如工作臺如工作臺) )的位置和速度作為控制量的位置和速度作為控制量。通常由。通常由伺服驅動裝置、伺服驅動裝置、伺服電機、機械傳動機構及執(zhí)行部件伺服電機、機械傳動機構及執(zhí)行部件組成。組成。 CNC CNC機床伺服系統(tǒng)機床伺服系統(tǒng)包括：包括：進給伺服系統(tǒng)和主軸進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩部分。伺服系統(tǒng)兩部分。3)組成：組成： 如果把如果把CNC比作數(shù)控機床的比作數(shù)控機床的“大腦大腦”，是發(fā)布，是發(fā)布“命令命令”的指揮機構，那么，伺服系統(tǒng)就是的指揮機構，那么，伺服系統(tǒng)就是CNC機機床床的的“四肢四肢”，是執(zhí)行，是執(zhí)行“命令命令”的機構，它是的機構，它是一個一個不

3、折不扣的跟隨者不折不扣的跟隨者。31) 1) 精度高精度高 伺服系統(tǒng)的精度伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度精確程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機床工作臺進給的位移量和該指令脈沖經伺服求機床工作臺進給的位移量和該指令脈沖經伺服系統(tǒng)轉化為工作臺實際位移量之間的系統(tǒng)轉化為工作臺實際位移量之間的符合程度符合程度，兩者誤差愈小，位移精度愈高兩者誤差愈小，位移精度愈高。2.2.對伺服系統(tǒng)的基本要求對伺服系統(tǒng)的基本要求2)2)穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好 穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)

4、過程后，達到新的或者恢復到原來在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來平衡狀態(tài)的能力。平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強的抗干要求伺服系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。擾能力，保證進給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性穩(wěn)定性直接直接影響影響CNCCNC加工精度加工精度。43)3)快速響應快速響應 快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質的重要指標，它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。為保證輪廓切削形狀精度為保證輪廓切削形狀精度和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，跟隨誤差小。對響應要快，跟隨誤差

5、小。對指令的響應時間一般要指令的響應時間一般要求在求在200ms200ms以內，甚至小于幾十以內，甚至小于幾十msms。4)4)調速范圍調速范圍寬寬 調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高調速范圍是指生產機械要求電機能提供的最高轉速和最低轉速之比。轉速和最低轉速之比。 在數(shù)控機床中，由于所用刀具、加工材料及零在數(shù)控機床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，件加工要求的不同，為保證在各種情況下都能得到為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠寬的調速最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠寬的調速范圍。范圍。5CNC系統(tǒng)系統(tǒng)速度單元速度單元5)5)低速大扭矩低速大扭矩

6、 機床加工的特點是，在機床加工的特點是，在低速時進行重切削低速時進行重切削。因。因此，伺服系統(tǒng)在低速時要求有大的轉矩輸出。此，伺服系統(tǒng)在低速時要求有大的轉矩輸出。 3.3.電氣伺服系統(tǒng)的控制結構電氣伺服系統(tǒng)的控制結構位置位置PID速度速度PID電流電流PID伺服電機伺服電機速度反饋速度反饋位置反饋位置反饋給定給定電氣伺服系統(tǒng)的三環(huán)結構電氣伺服系統(tǒng)的三環(huán)結構電流環(huán)電流環(huán)速度環(huán)速度環(huán)位置環(huán)位置環(huán)6二、伺服系統(tǒng)的分類二、伺服系統(tǒng)的分類 1.按控制方式分為：按控制方式分為：1)開環(huán)伺服系統(tǒng)；開環(huán)伺服系統(tǒng)；2)閉環(huán)伺服系統(tǒng)；閉環(huán)伺服系統(tǒng)；開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)7半半閉閉環(huán)環(huán)閉閉環(huán)環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服

7、系統(tǒng)82.2.按功能分為：按功能分為： 1)1)進給驅動系統(tǒng)進給驅動系統(tǒng) 2)2)主軸驅動系統(tǒng)；主軸驅動系統(tǒng)； 進給伺服系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機床坐標軸的切削進給運動控制，并提供用于數(shù)控機床坐標軸的切削進給運動控制，并提供切削過程所需轉矩切削過程所需轉矩。主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)，控制只是一個速度控制系統(tǒng)，控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力，且保證任意轉速的調節(jié)。和所需的切削力，且保證任意轉速的調節(jié)。 現(xiàn)代現(xiàn)代CNCCNC主軸也具備位置控制環(huán)，以實現(xiàn)

8、主軸主軸也具備位置控制環(huán)，以實現(xiàn)主軸的定位和輪廓跟蹤功能。的定位和輪廓跟蹤功能。93.按驅動電機分為：按驅動電機分為：1)步進電機伺服系統(tǒng)；步進電機伺服系統(tǒng)；2)直流電機伺服系統(tǒng)；直流電機伺服系統(tǒng)；3)交流電機伺服系統(tǒng)；交流電機伺服系統(tǒng)；4)直接驅動電機伺服系統(tǒng)；直接驅動電機伺服系統(tǒng)；（如：直線電機）（如：直線電機）104.2檢測元件檢測元件一、對檢測裝置的要求與分類一、對檢測裝置的要求與分類1.位置檢測裝置的要求位置檢測裝置的要求在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，位置檢測裝置的作位置檢測裝置的作用是檢測機床運動部件的位置和速度，發(fā)送用是檢測機床運動部件的位置和速度，發(fā)送反饋信號，構成閉環(huán)控

9、制系統(tǒng)。反饋信號，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)的精度決定了精度決定了CNC的精度和分辨率。的精度和分辨率。1)能滿足精度和速度的要求；能滿足精度和速度的要求；2)高能可靠性和高抗干擾能力強；高能可靠性和高抗干擾能力強；3)使用、維護簡單方便；使用、維護簡單方便；4)成本低；成本低； 通常通常，檢測裝置的分辨率，檢測裝置的分辨率(即檢測的最小位移量即檢測的最小位移量)在在0.0110微米內；微米內；運動速度為運動速度為024m/min。112.位置檢測裝置的分類位置檢測裝置的分類由于工作條件和測量要求不同，由于工作條件和測量要求不同，數(shù)控機床常數(shù)控機床常用以下幾種測量方式：用以下幾種測量

10、方式：1)絕對值測量方式和增量測量方式絕對值測量方式和增量測量方式絕對值測量方式是任一被測量點位置都由一絕對值測量方式是任一被測量點位置都由一個固定的零點（即坐標原點）算起，每一測量點，個固定的零點（即坐標原點）算起，每一測量點，都有一個相應的對原點的測量值。都有一個相應的對原點的測量值。增量測量方式檢測的是相對位移量，有多個增量測量方式檢測的是相對位移量，有多個測量基準，任何一個對中點都可作為測量起點，測量基準，任何一個對中點都可作為測量起點，因而檢測裝置比較簡單。因而檢測裝置比較簡單。輪廓控制數(shù)控機床大都采用增量測量方式。輪廓控制數(shù)控機床大都采用增量測量方式。典型元件如感應同步器、光柵、磁

11、尺等。典型元件如感應同步器、光柵、磁尺等。122)數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量數(shù)字式測量是將被測量量化后以數(shù)字量表示，是將被測量量化后以數(shù)字量表示，可直接送到可直接送到CNC進行比較、處理。進行比較、處理。如光柵、編碼器等，如光柵、編碼器等，特點是：特點是：(1)被測量量化成脈沖個數(shù)，便于處理；被測量量化成脈沖個數(shù)，便于處理；(2)結構比較簡單，脈沖信號抗干擾強。結構比較簡單，脈沖信號抗干擾強。 模擬式測量模擬式測量是將被測量用連續(xù)的變量（如相是將被測量用連續(xù)的變量（如相位變化、電壓幅值變化）來表示的。在數(shù)控機床位變化、電壓幅值變化）來表示的。在數(shù)控機床上模擬式測量主

12、要用于小量程的測量。上模擬式測量主要用于小量程的測量。如旋轉變壓器、感應同步器等，如旋轉變壓器、感應同步器等，特點是：特點是：(1)直接測量被測量，無須量化；直接測量被測量，無須量化；(2)在小量程內可以實現(xiàn)高精度測量。在小量程內可以實現(xiàn)高精度測量。133)直接測量和間接測量直接測量和間接測量直接測量直接測量是將檢測裝置直接安裝在直線運動部件是將檢測裝置直接安裝在直線運動部件上，測量直線位移量。上，測量直線位移量。常用光柵，感應同步器等。常用光柵，感應同步器等。優(yōu)點優(yōu)點是直接反映運動部件的直線位移量；是直接反映運動部件的直線位移量；缺點缺點是檢測裝置要和行程等長。是檢測裝置要和行程等長。間接測

13、量間接測量是通過測量與運動部件直線運動相關是通過測量與運動部件直線運動相關聯(lián)的回轉角度間接地測量直線位移。聯(lián)的回轉角度間接地測量直線位移。常用編碼器、常用編碼器、旋轉變壓器等。旋轉變壓器等。優(yōu)點優(yōu)點是使用可靠方便，無長度限制；是使用可靠方便，無長度限制；缺點缺點是測量信號加入機械傳動鏈誤差，從而影是測量信號加入機械傳動鏈誤差，從而影響測量精度。響測量精度。14二、脈沖編碼器二、脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，它將，它將機械幾何轉角轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器?？蓹C械幾何轉角轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器?？捎糜谖恢煤退俣鹊臋z測，是目前應用最多的傳感用于位置

14、和速度的檢測，是目前應用最多的傳感器，根據檢測原理，脈沖編碼器可分為器，根據檢測原理，脈沖編碼器可分為光電式光電式、電磁感應式電磁感應式和和接觸式接觸式三種。三種。脈沖編碼器是一種增量檢測元件，其型號根脈沖編碼器是一種增量檢測元件，其型號根據每轉輸出的脈沖數(shù)，常見有二級三檔：據每轉輸出的脈沖數(shù)，常見有二級三檔：3，6，125，102，3，4，6，83，6，125，102，3，4，6，8每轉移每轉移動量動量mm30000P/r25000P/r20000P/r3000P/r2500P/r2000P/r每轉脈每轉脈沖數(shù)沖數(shù)1.脈沖編碼器分類脈沖編碼器分類152.光電脈沖編碼器結構原理光電脈沖編碼器結

15、構原理 光電編碼器光電編碼器是由是由圓光柵圓光柵、扇扇形指示光柵形指示光柵、光光電檢測裝置電檢測裝置組成。組成。圓光柵盤是圓光柵盤是在一定直徑圓盤在一定直徑圓盤的圓周上等分地的圓周上等分地開通若干個長方開通若干個長方形孔，形孔，圓盤與電圓盤與電動機同軸動機同軸。16 圓光柵與電動機同速圓光柵與電動機同速旋轉時，光線透過兩個光旋轉時，光線透過兩個光柵形成明暗相間的條紋，柵形成明暗相間的條紋，經光電元件接受轉換成交經光電元件接受轉換成交變電信號，接近正弦波，變電信號，接近正弦波，經量化整形成脈沖信號。經量化整形成脈沖信號。計算每秒光電編碼器計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映輸出脈沖的個數(shù)就能

16、反映當前電動機的轉速。當前電動機的轉速。為判為判別旋轉方向，編碼器提供別旋轉方向，編碼器提供相位相差相位相差90的兩路脈沖的兩路脈沖A，B信號和一個信號和一個“一轉脈沖一轉脈沖”定位用定位用C信號。信號。17光電編碼器輸出波形 光電編碼器光電編碼器優(yōu)點優(yōu)點是原理構造簡單，機械平均壽是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。適合于長距離傳輸。缺點缺點是無法輸出軸轉動的絕對是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。位置信息。90 18三、絕對值編碼器三、絕對值編碼器 絕對值編碼器是一種直接編碼直接測量的傳絕對值編碼器是

17、一種直接編碼直接測量的傳感器，它直接輸出數(shù)字量。感器，它直接輸出數(shù)字量。 結構與脈沖編碼器類似，只是其圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的倍關系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進制數(shù)碼的位數(shù)，位數(shù)，在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼在碼盤的一側是光源，另一側對應每一碼道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光道有一光敏元件；當碼盤處于不同位置時，各光敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，敏元件根據受光照與否轉換出相應的電平信號，直接形成二進制數(shù)直接形成二進制數(shù)。 絕對值編碼

18、器也分為絕對值編碼器也分為光電式光電式、電磁式電磁式和和接觸接觸式式三種。常用為光電式，其碼盤如圖。三種。常用為光電式，其碼盤如圖。19 20二進制自然碼盤二進制自然碼盤二進制格雷循環(huán)碼盤二進制格雷循環(huán)碼盤21 絕對值編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制絕對值編碼器是利用自然二進制或循環(huán)二進制（格雷碼）方式進行光電轉換的。它（格雷碼）方式進行光電轉換的。它與增量式編碼與增量式編碼器的區(qū)別是不要計數(shù)器，在轉軸的任意位置都可器的區(qū)別是不要計數(shù)器，在轉軸的任意位置都可讀讀出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼，根據碼盤上出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼，根據碼盤上讀出的編碼確定轉軸的絕對位置讀出的編碼確定轉

19、軸的絕對位置。其特點是：其特點是：1)可以直接讀出角度坐標的絕對值；可以直接讀出角度坐標的絕對值；2)沒有累積誤差；沒有累積誤差；3)電源切除后位置信息不會丟失。電源切除后位置信息不會丟失。絕對值編碼器分辨率是由二進制的位數(shù)來決定絕對值編碼器分辨率是由二進制的位數(shù)來決定的，即其精度取決于碼道數(shù)的，即其精度取決于碼道數(shù)N，碼道越多，分辨率，碼道越多，分辨率就越高。目前有就越高。目前有10位、位、14位、位、16位等絕對值編碼器位等絕對值編碼器產品。產品。22四、光柵四、光柵按光線按光線可可分反射、透射光柵；分反射、透射光柵；按原理按原理可分透射直線式、莫爾條紋式光柵；可分透射直線式、莫爾條紋式光

20、柵；按形狀按形狀還可分為圓光柵和長光柵。還可分為圓光柵和長光柵。 圓光柵用于角位移的檢測，長光柵用于直線位圓光柵用于角位移的檢測，長光柵用于直線位移的檢測。移的檢測。 光柵是一種非接觸式測量，它將機械位移或光柵是一種非接觸式測量，它將機械位移或模擬量轉變成數(shù)字脈沖，測量精度高模擬量轉變成數(shù)字脈沖，測量精度高(微米級微米級)。光柵的測量原理是將光柵移動時產生的光線光柵的測量原理是將光柵移動時產生的光線明暗變化轉化成脈沖電信號變化而工作的。明暗變化轉化成脈沖電信號變化而工作的。23 光柵光柵由光柵尺和光柵讀數(shù)頭由光柵尺和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。光柵尺包兩部分組成。光柵尺包括標尺光柵和指示光柵。光柵的

21、結構如圖。括標尺光柵和指示光柵。光柵的結構如圖。 1.光柵檢測裝置組成光柵檢測裝置組成 標尺光柵標尺光柵固定在機床運動部件上，固定在機床運動部件上，指示光柵指示光柵在光柵讀在光柵讀數(shù)頭內部，裝在機床固定件上數(shù)頭內部，裝在機床固定件上，兩者間隙，兩者間隙0.050.051mm1mm。(1)光柵結構光柵結構光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭24對于長光柵：線紋等距平行線，間距稱柵距對于長光柵：線紋等距平行線，間距稱柵距p p。對于圓光柵：線紋是等柵距角的向心條紋。對于圓光柵：線紋是等柵距角的向心條紋。 柵距柵距p p和柵距角是決定光柵性質的基本參數(shù)。和柵距角是決定光柵性質的基本參數(shù)。 常見長光柵的線紋密度為常見

22、長光柵的線紋密度為2525250250條條/mm/mm。圓光。圓光柵，若直徑為柵，若直徑為110mm110mm，一周內刻線達，一周內刻線達60060010241024條，條，甚至更高。甚至更高。 同一個光柵元件，其標尺光柵和指示光柵的線同一個光柵元件，其標尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相同。紋密度必須相同。(2)(2)光柵尺線紋光柵尺線紋 光柵是用真空鍍膜的方法在透明玻璃片或長光柵是用真空鍍膜的方法在透明玻璃片或長條形金屬鏡面上光刻均勻密集線紋形成的條形金屬鏡面上光刻均勻密集線紋形成的。 25光柵檢測裝置結構示意圖光柵檢測裝置結構示意圖(3)(3)光柵檢測裝置構成光柵檢測裝置構成262.透射直

23、線式透射直線式光柵檢測裝置光柵檢測裝置 這種光柵這種光柵只能透過單個透明間隔只能透過單個透明間隔，光強度弱，光強度弱，脈沖信號也不強，適用于線紋較粗的場合。脈沖信號也不強，適用于線紋較粗的場合。 結構特點：結構特點：指示光柵與指示光柵與標尺光柵線標尺光柵線紋平行紋平行27指示光柵指示光柵3.莫爾條紋式莫爾條紋式光柵檢測裝置光柵檢測裝置結構特點：結構特點：指示光柵與指示光柵與標尺光柵線標尺光柵線紋交叉紋交叉角角wp28WP/莫爾條紋莫爾條紋特點：特點：1)1)光強近似余弦分布；光強近似余弦分布；2)2)放大光柵柵距；放大光柵柵距；3)3)平均柵距誤差；平均柵距誤差；4)4)莫爾條紋的移動與柵莫爾

24、條紋的移動與柵距之間的移動成比例。距之間的移動成比例。（標尺走過一個（標尺走過一個p p，莫，莫爾條紋移動一個爾條紋移動一個w w）wp291 1）響應速度快、量程寬、測量精度高；）響應速度快、量程寬、測量精度高；測直線位移，精度可達測直線位移，精度可達0.50.53m(300mm3m(300mm范圍內范圍內) )，分辨率可達，分辨率可達0.1m0.1m；測角位移，精度可達；測角位移，精度可達0.150.15，分辨率可達，分辨率可達0.10.1，甚至更高。，甚至更高。2 2）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于自動化；）可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于自動化；3 3）具有較強的抗干擾能力；）具有較強的抗干擾能力；4 4）

25、怕振動、怕油污，高精度光柵的制作成本高。）怕振動、怕油污，高精度光柵的制作成本高。4.光柵測量特點光柵測量特點304.3步進電機開環(huán)控制步進電機開環(huán)控制 步進電機在驅動單元控制下步進電機在驅動單元控制下將進給脈沖轉換成將進給脈沖轉換成機械的角位移機械的角位移，并通過滾珠絲杠帶動工作臺移動。，并通過滾珠絲杠帶動工作臺移動。一、步進電機工作原理一、步進電機工作原理1.步進開環(huán)系統(tǒng)的工作原理步進開環(huán)系統(tǒng)的工作原理31 步進電動機步進電動機將脈沖轉換成機械角位移，通過步將脈沖轉換成機械角位移，通過步進驅動器帶動，精度高，慣性小。進驅動器帶動，精度高，慣性小。f代表驅動速度；代表驅動速度；n代表位移量；

26、代表位移量；運動方向是電機各相通電順序來決定。運動方向是電機各相通電順序來決定。步進步進電機各相保持通電狀態(tài)就能使電機自鎖。電機各相保持通電狀態(tài)就能使電機自鎖。32 步進電機也由步進電機也由定定子和轉子子和轉子組成。分組成。分反反應式、永磁式，混合應式、永磁式，混合式式三種。三種。的的定子上定子上有六個磁極有六個磁極，每個磁，每個磁極上繞有勵磁繞組，極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組每相對的兩個磁極組成一相，成一相，分成分成A、B、C三相。三相。接成接成Y型。型。轉子無繞組，由轉子無繞組，由帶齒的鐵心制成。帶齒的鐵心制成。2.步進電機的結構步進電機的結構三相反應式步進電機結構三相反應式步進電

27、機結構60 33 步進電機是按步進電機是按電磁吸引的原理進電磁吸引的原理進行工作的。行工作的。當定子當定子繞組按順序輪流通繞組按順序輪流通電時，電時，A、B、C三三對磁極就依次產生對磁極就依次產生磁場，磁場，每次將離開每次將離開最近的某一對轉子最近的某一對轉子齒吸引，齒吸引，從而使轉從而使轉子一步步轉動。子一步步轉動。 3.步進電機的工作原理步進電機的工作原理 步進電機對應每個脈沖每次所轉過的角度稱步進電機對應每個脈沖每次所轉過的角度稱為為步距角步距角。341)三相單三拍運行三相單三拍運行 假設轉子有四齒，假設轉子有四齒，三相單三拍三相單三拍是指定子按：是指定子按：正轉：正轉：ABCA順序通電

28、；順序通電；或：或： 反轉：反轉：ACBA順序通電；順序通電；每切換一次，轉子就順每切換一次，轉子就順(逆逆)時針轉過時針轉過30 (步距角步距角)。30353)三相六拍通電順序：三相六拍通電順序：正轉：正轉：AABBBCCCAA反轉：反轉：AACCCBBBAA步距角為步距角為15 ，特點是旋轉精度高，且轉換過程，特點是旋轉精度高，且轉換過程中始終保證有一相繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種中始終保證有一相繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。方式被大量采用。2)三相雙三拍通電順序：三相雙三拍通電順序：正轉：正轉：ABBCCAAB反轉：反轉：ACCBBAAC步距角仍為步距角仍為30 ，特點是，

29、特點是切換時總保持一相通電切換時總保持一相通電，所以工作比較穩(wěn)定。所以工作比較穩(wěn)定。36 步距角步距角和步進電機的相數(shù)、通電方式及電機和步進電機的相數(shù)、通電方式及電機轉子齒數(shù)的關系如下：轉子齒數(shù)的關系如下：式中式中步進電機的步距角；步進電機的步距角； m電機相數(shù)；電機相數(shù)；Z轉子齒數(shù)；轉子齒數(shù)； K系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，相鄰兩次通電相數(shù)不同，K2。同一相數(shù)的步進電機可有兩種步距角同一相數(shù)的步進電機可有兩種步距角，通常，通常為為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。度等。KmZ360二、步進電機的主要性能指

30、標二、步進電機的主要性能指標1.步距角和步距誤差步距角和步距誤差37 步距誤差步距誤差是指步進電機運行時，轉子每一步是指步進電機運行時，轉子每一步實際轉過的角度與理論步距角之差值。通常控制實際轉過的角度與理論步距角之差值。通?？刂圃谠?0以內。以內。 連續(xù)走若干步時，步距誤差的累積值稱為連續(xù)走若干步時，步距誤差的累積值稱為步步距的累積誤差距的累積誤差。由于步進電機轉過一轉后，將重復上一轉的穩(wěn)由于步進電機轉過一轉后，將重復上一轉的穩(wěn)定位置，所以定位置，所以步距累積誤差將以一轉為周期重復出步距累積誤差將以一轉為周期重復出現(xiàn)現(xiàn)。382.靜態(tài)轉矩與矩角特性靜態(tài)轉矩與矩角特性1)失調角失調角當步進電機某

31、當步進電機某相定子繞組通電并相定子繞組通電并帶上負載之后，轉帶上負載之后，轉子齒與定子齒之間子齒與定子齒之間會產生偏離。會產生偏離。A相偏離相偏離39失調角使步進失調角使步進電機產生一個靜態(tài)電機產生一個靜態(tài)轉矩（電磁轉矩），轉矩（電磁轉矩），它與失調角它與失調角的大小的大小呈近似正弦關系，呈近似正弦關系，且等于負載轉矩。且等于負載轉矩。被稱為被稱為矩角特性矩角特性。 矩角特性矩角特性的靜態(tài)轉矩最大值稱為最大靜轉矩。的靜態(tài)轉矩最大值稱為最大靜轉矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內，當外加負載轉矩除去時，轉子在在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內，當外加負載轉矩除去時，轉子在電磁轉矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置電磁轉矩作用下，仍能回到

32、穩(wěn)定平衡點位置(0 )2)矩角特性矩角特性40如圖所示為三相單三拍的矩角特性曲線，圖中如圖所示為三相單三拍的矩角特性曲線，圖中的的A相、相、B相曲線的交點相曲線的交點所對應的轉矩是步進電機所對應的轉矩是步進電機的的最大啟動轉矩最大啟動轉矩Tq。如果外加負載轉矩大于。如果外加負載轉矩大于Tq，電機就不能啟動。啟動轉矩是電機能帶動負載轉動電機就不能啟動。啟動轉矩是電機能帶動負載轉動的極限轉矩。的極限轉矩。3.最大啟動轉矩最大啟動轉矩Tq412設：設：TL=TaA相通電，失調角相通電，失調角1，平衡；，平衡；B相通電時，相通電時，TbTa，旋轉，當，旋轉，當TbTL時，失調時，失調角為角為2，新的平

33、衡建立，新的平衡建立424.啟動頻率啟動頻率空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進空載時，步進電機由靜止狀態(tài)突然起動，并進入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或入不失步的正常運行的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率。突跳頻率。指令脈沖的頻率如大于啟動頻率，電機指令脈沖的頻率如大于啟動頻率，電機就不能正常工作。步進電機在帶負載（尤其是慣性就不能正常工作。步進電機在帶負載（尤其是慣性負載）下的啟動頻率比空載要低，而且隨著負載加負載）下的啟動頻率比空載要低，而且隨著負載加大（在允許范圍內），啟動頻率會進一步降低。大（在允許范圍內），啟動頻率會進一步降低。5.連續(xù)運行頻率連續(xù)運行頻率步進電機起動

34、后，其運行速度能根據指令脈沖步進電機起動后，其運行速度能根據指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。運行頻率。其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所其值遠大于啟動頻率，它也隨著電機所帶負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關帶負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。系。43Tf6.矩頻特性與動態(tài)轉矩矩頻特性與動態(tài)轉矩矩頻特性是描述步進電機矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系續(xù)運行頻率之間的關系，該特，該特性上性上每一個頻率對應的轉矩稱每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩為

35、動態(tài)轉矩。當步進電機正常運行時，當步進電機正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機所能帶動負載轉矩將逐電動機所能帶動負載轉矩將逐漸下降。漸下降。在使用時，一定要考在使用時，一定要考慮動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的慮動態(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。上升而下降的特點。矩頻特性44步進電機驅動線路步進電機驅動線路完成由弱電到強電的轉換和完成由弱電到強電的轉換和放大，功能是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需放大，功能是將邏輯電平信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號的具有一定功率的電流脈沖信號。它包含。它包含環(huán)形分配環(huán)形分配器和功率放大器。器和功率放大器。三

36、、步進電機功率驅動電路三、步進電機功率驅動電路環(huán)形分配器環(huán)形分配器是用于控制步進電機的通電方式。是用于控制步進電機的通電方式。其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產生，硬環(huán)分環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產生，硬環(huán)分配器是根據步進電機的相數(shù)和控制方式設計的邏輯配器是根據步進電機的相數(shù)和控制方式設計的邏輯時序電路。時序電路。1.環(huán)形分配器環(huán)形分配器451）三相六拍硬環(huán)分AAB：10011046 指

37、令脈沖加到三個觸發(fā)器的時鐘輸入端CP，旋轉方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。三個觸發(fā)器的輸出端連到A、B、C三相功率放大器。 初始時通過R端清0脈沖，將三個觸發(fā)器置為100狀態(tài)， CP端送入一個脈沖，觸發(fā)翻轉。正轉時：正向控制為“1” ；通電次序：100110010011001101即：AABBBCCCA反轉時：反向控制為“1”；通電次序：100101001011010110即：ACACCBBBA47軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較為簡單、方便。計算機控制為簡單、方便。計算機控制的步進電機驅動系統(tǒng)中，使的步進電機驅動系統(tǒng)中，使用軟件實現(xiàn)脈沖分配，用軟件實現(xiàn)脈沖分配，常用常用的是查表法的是查

38、表法。例如對于三相六拍環(huán)形例如對于三相六拍環(huán)形分配器，每當接收到一個進分配器，每當接收到一個進給脈沖指令，環(huán)形分配器軟給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據翻轉真值表，按順序件根據翻轉真值表，按順序及方向控制微機輸出接口將及方向控制微機輸出接口將A、B、C的值輸出即可。的值輸出即可。2)軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配器序號A B C 方向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反轉 正轉48功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號放大至幾安培幾十安培的電流送至步進平信號放大至幾安培幾十安培的電流送至步進電機

39、各相繞組。電機各相繞組。1）單電壓驅動）單電壓驅動單電壓功放電路單電壓功放電路，L為步進電機勵磁繞組的為步進電機勵磁繞組的電感，電感，Ra為繞組電阻，為繞組電阻，Rc為外接電阻，并聯(lián)電為外接電阻，并聯(lián)電容容C用來加快負載瞬間電流的上升率，提高電機用來加快負載瞬間電流的上升率，提高電機快速響應能力和啟動性能?？焖夙憫芰蛦有阅?。環(huán)形分配器輸出為高電平時，環(huán)形分配器輸出為高電平時，T飽和導通，飽和導通，繞組通電；當環(huán)形分配器輸出為低電平時，繞組通電；當環(huán)形分配器輸出為低電平時，T截截止，繞組斷電。止，繞組斷電。2.功率放大器功率放大器49單電壓驅動電路原理圖單電壓驅動電路原理圖單電壓驅動電路的

40、優(yōu)點是線路簡單，缺點是單電壓驅動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負載能力低。電流上升不夠快，高頻時帶負載能力低。前置放大前置放大RaLUDRcC輸入輸入Rd502）高低壓驅動）高低壓驅動U180V單單穩(wěn)穩(wěn)延延時時前置放大前置放大前置放大前置放大U212VVD2V1VD1R2R1V2Lt1t2Cp51高低壓驅動電路特點：高低壓驅動電路特點：電路特點是高壓充電，低壓維持。電路特點是高壓充電，低壓維持。當環(huán)形分當環(huán)形分配器輸出高電平時，兩只功率放大管配器輸出高電平時，兩只功率放大管T1，T2同同時導通，時導通，電機繞組以電機繞組以80V高壓供電，繞組電流高壓供電，繞組電流快速上升

41、，前沿很陡，當接近額定電流時，單穩(wěn)快速上升，前沿很陡，當接近額定電流時，單穩(wěn)延時時間到，延時時間到，T1管截止，改由低壓管截止，改由低壓12V供電，供電，維持繞組額定電流維持繞組額定電流。若高低壓之比為若高低壓之比為U1/U2，則，則電流上升也提高電流上升也提高U1/U2倍，上升時間明顯減小。倍，上升時間明顯減小。優(yōu)點：優(yōu)點：額定電流由低壓維持，限流電阻小，額定電流由低壓維持，限流電阻小，功耗小。功耗小。能在較寬的頻率范圍內有較大的平均電能在較寬的頻率范圍內有較大的平均電流，能產生較大且較穩(wěn)定的電磁轉矩，有較高的流，能產生較大且較穩(wěn)定的電磁轉矩，有較高的啟動頻率和最高連續(xù)工作頻率啟動頻率和最高

42、連續(xù)工作頻率缺點：缺點：高低壓電路波形連接處有凹形高低壓電路波形連接處有凹形52恒流斬波驅動電路原理圖恒流斬波驅動電路原理圖高壓前高壓前置放大置放大低壓前低壓前置放大置放大與門與門整形整形U1U1U2U2VD1VD1VD2VD2V1V1V2V2L LReReR R輸入輸入電流反饋電流反饋3）恒流斬波驅動）恒流斬波驅動53恒流斬波驅動特點恒流斬波驅動特點環(huán)形分配器輸出的正脈沖將環(huán)形分配器輸出的正脈沖將T1，T2導通，由導通，由于于U1電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當繞組電流上升到額定值以上的電流迅速上升，當繞組電流上升到額定值以上的某一

43、數(shù)值時，由于采樣電阻某一數(shù)值時，由于采樣電阻Re的的電流反饋電流反饋作用，作用，經整形、放大后送自經整形、放大后送自T1的基極，使的基極，使T1管截止。接管截止。接著繞組由著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使大電路又使T1導通，電流又上升。導通，電流又上升。如此反復進行，如此反復進行，形成一個在額定電流值上下形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形，近似恒流波動呈鋸齒狀

44、的繞組電流波形，近似恒流。54三種電路的電流波形三種電路的電流波形恒流斬波型恒流斬波型高低壓驅動型高低壓驅動型單電壓驅動型單電壓驅動型55步進電機微機控制步進電機微機控制利用微機對步進電機進行控制，有利用微機對步進電機進行控制，有串行串行和和并行并行兩兩種方式。種方式。1. 1.串行控制串行控制 該方式使單片機系統(tǒng)與步進電動機驅動電源之該方式使單片機系統(tǒng)與步進電動機驅動電源之間具有較少的連線。單片機通過間具有較少的連線。單片機通過I/OI/O接口將信號送接口將信號送入步進電動機驅動電源的環(huán)形分配器，所以在這種入步進電動機驅動電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅動電源中系統(tǒng)中，驅動電源中必須含

45、有環(huán)形分配器必須含有環(huán)形分配器。56步進電動機的串行控制步進電動機的串行控制57 CP CP脈沖用來控制步進電動機轉動的角脈沖用來控制步進電動機轉動的角度，每輸入一個脈沖，步進電動機轉動度，每輸入一個脈沖，步進電動機轉動一個步距角。一個步距角。 方向信號方向信號CWCW為電平輸入信號端，用來為電平輸入信號端，用來控制電動機轉動的方向，控制電動機轉動的方向，CWCW為高電平時，為高電平時，步進電動機在步進電動機在CPCP端輸入脈沖時順時針轉端輸入脈沖時順時針轉動；動；CWCW為低電平時，步進電動機在為低電平時，步進電動機在CPCP端端輸入脈沖時逆時針轉動。輸入脈沖時逆時針轉動。582. 2.并行

46、控制并行控制 用微機系統(tǒng)的數(shù)條端口線用微機系統(tǒng)的數(shù)條端口線直線直線去控制步進電動機去控制步進電動機各相驅動電路的方法稱為并行控制。在電動機驅動各相驅動電路的方法稱為并行控制。在電動機驅動電源內，電源內，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機系統(tǒng)完成系統(tǒng)完成。 計算機系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法：計算機系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)形分配器的功能又有兩種方法： 1 1）純軟件方法）純軟件方法 即完全用軟件來實現(xiàn)相序的分配，即完全用軟件來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導通或截止的信號，主要由寄存器移直接輸出各相導通或截止的信號，主要由寄存器移位法和查表法。位法和查表法。 2 2

47、）軟、硬件相結合的方法）軟、硬件相結合的方法 專門設計的一種編程專門設計的一種編程器接口，計算機向接口輸出簡單形式的代碼數(shù)據，器接口，計算機向接口輸出簡單形式的代碼數(shù)據，而接口輸出的是步進電動機各相導通或截止的信號。而接口輸出的是步進電動機各相導通或截止的信號。59步進電動機的并行控制步進電動機的并行控制603. 3.步進電動機速度控制步進電動機速度控制 實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來確率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來確定時鐘脈沖的周期：定時鐘脈沖的周期： 1 1）軟件延時）軟件延時 通過調用延時子程序的方法來實現(xiàn)，

48、占通過調用延時子程序的方法來實現(xiàn)，占用用CPUCPU時間。時間。 2 2）定時器）定時器 通過設置定時時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)。通過設置定時時間常數(shù)的方法來實現(xiàn)。614. 4.步進電動機的加減速控制步進電動機的加減速控制 在點位控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)極限起動頻率是在點位控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)極限起動頻率是比較低的，而要求的運行速度往往較高，如比較低的，而要求的運行速度往往較高，如果系統(tǒng)要以要求的速度直接起動，可能發(fā)生果系統(tǒng)要以要求的速度直接起動，可能發(fā)生丟步或根本不能運行的情況。系統(tǒng)運行起來丟步或根本不能運行的情況。系統(tǒng)運行起來之后，如果達到終點時停發(fā)脈沖串，令其立之后，如果達到終點時停發(fā)脈沖串，令其立即停止

49、，則因為系統(tǒng)的慣性原因，會發(fā)生沖即停止，則因為系統(tǒng)的慣性原因，會發(fā)生沖過終點的過終點的“超程超程”現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏現(xiàn)象，使點位控制發(fā)生偏差。差。 因此在點位控制過程中，運行速度都需要因此在點位控制過程中，運行速度都需要有一個加速有一個加速恒速恒速減速減速低恒速低恒速停止的過程。停止的過程。62步進電動機點位控制的加減速過程步進電動機點位控制的加減速過程各種系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速過各種系統(tǒng)在工作過程中，都要求加減速過程時間盡量短，恒速時間盡量長。特別是在程時間盡量短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應的工作中，從起點至終點運行要求快速響應的工作中，從起點至終點運行的時間要求最短，

50、這就必須要求升速、減速的時間要求最短，這就必須要求升速、減速的過程最短，恒速時的速度最高。的過程最短，恒速時的速度最高。63 用微機讀步進電動機進行加減速控制，實際上，用微機讀步進電動機進行加減速控制，實際上，就是改變輸出時鐘脈沖的時間間隔。升速時，使就是改變輸出時鐘脈沖的時間間隔。升速時，使脈沖串逐漸加密；減速時，使脈沖串逐漸稀疏。脈沖串逐漸加密；減速時，使脈沖串逐漸稀疏。 系統(tǒng)在執(zhí)行升降速控制過程中，對加減速的系統(tǒng)在執(zhí)行升降速控制過程中，對加減速的控制還需準備下列數(shù)據：控制還需準備下列數(shù)據： 1 1）加減速的斜率；）加減速的斜率； 2 2）升速過程的總步數(shù)；）升速過程的總步數(shù)； 3 3）恒速運行總步數(shù)；）恒速運行總步數(shù)； 4 4）減速運行的總步數(shù)。）減速運行的總步數(shù)。64作業(yè)：作業(yè)：n1.步進電機如何分類？反應式步進電機的工作原理是什么？n2.什么步距角？如何計算？n3.一臺三相六拍步進電機，轉子齒數(shù)為60，脈沖頻率為600Hz，分別寫出它的正向和反向通電順序,并